D. V. Perov
ESTIMATING COMPLEX DIELECTRIC PERMITTIVITY OF MATERIALS BY THE FREQUENCY DEPENDENCES OF REFLECTION AND TRANSMISSION COEFFICIENT MAGNITUDES IN THE MICROWAVE RANGE
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.4.060-072 Electromagnetic waves of the microwave range are an effective tool for solving problems of non-destructive testing and diagnostics as applied to dielectric, semiconductor, and composite materials, ferrite products. An algorithm is suggested for estimating the complex permittivity of non-magnetic materials by the frequency dependences of reflection and transmission coefficient magnitudes during the interaction of electromagnetic waves in the microwave range with a sample in the form of a plate located in the cross section of a closed rectangular waveguide. Statistical analysis methods are applied to evaluating the errors arising during the application of this algorithm due to imperfect matching of the waveguide measurement path with the receivers and generator of the scalar circuit analyzer. It is shown that the proposed algorithm using the results of measuring reflection and transmission coefficients in a wide frequency range can significantly reduce the influence of frequency-dependent measurement errors on the accuracy of complex permittivity estimation. An additional advantage of the algorithm is that its implementation does not require vector network analyzers, which are very expensive.
Acknowledgement: The results were obtained within the state assignment from the Ministry of Science and Higher Education of Russia, themes No. 122021000036-3 “Spin” and No. 122021000035-6 “Function”. Keywords: radiowave non-destructive testing merthods, microwave measurements, super high frequencies, scalar circuit analyzer, reflection and transmission coefficients, complex dielectric permittivity References:
- Mazor, Yu.L., Machusskii, E.A., and Pravda, V.I., eds. Radiotekhnika: Entsiklopediya [Radio Engineering: Encyclopedia]. Dodeka–XXI Publ., Moscow, 2002. 994 p. (In Russian).
- Klyuev, V.V. and Zusman, G., eds. Nondestructive Testing and Diagnostics: Handbook, RSNTTD Publ., Moscow; Metrix Instrument Co., Houston, 2004, 656 p.
- Chen, L.F., Ong, C.K., Neo, C.P., Vardan, V.V., and Vardan, V.K. Microwave Electronics: Measurements and Material Characterization, John Wiley & Sons Ltd, Chichester 2004, 537 p.
- Nikolsky, V.V. and Nikolskaya, T.I. Elektrodinamika i Rasprostranenie Radiovoln [Electrodynamics and Propagation of Radio Waves]. Nauka Publ., Moscow, 1989, 544 p. (In Russian).
- Semenov, N.A. Tekhnicheskaya Elektrodinamika [Technical Electrodynamics]. Svyaz Publ., Moscow, 1973, 480 p. (In Russian).
- Brekhovskikh, L.M. Waves in Layered Media, Academic Press, New York, 1980, 503 p.
- R2-65 panoramic VSWR meter: user manual, Vilnius, 1986, 116 p. (In Russian).
- R2-67 panoramic VSWR meter: user manual, Vilnius, 1986, 124 p. (In Russian).
- Rinkevich, A.B., Perov, D.V., Kuznetsov, E.A., Nemytova, O.V., Milyaev, M.A., and Ustinov, V.V. Enhancement of microwave giant magnetoresistance effect in reflected wave. Applied Physics Letters, 2022, 120 (23), 233502. DOI: 10.1063/5.0095405.
- Rinkevich, A.B., Perov, D.V., Pakhomov, Ya.A., Samoylovich, M.I., and Kuznetsov, E.A. Millimeter waveband dielectric properties of nanocomposite materials based on opal matrices with particles of spinels. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2016, 37 (11), 1124–1138. DOI: 10.1007/s10762-016-0308-3.
- Bykov, V.V. Tsifrovoe Modelirovanie v Statisticheskoy Radiotekhnike [Digital Modeling in Statistical Radio Engineering]. Sovetskoe Radio Publ., Moscow, 1971, 328 p. (In Russian).
- Rabiner, L.R. and Gold, B. Theory and Application of Digital Signal Processing, Prentice-Hall, NJ, Englewood Cliffs, 1975, 762 p.
- Tikhonov, V.I. Statisticheskaya Radiotekhnika [Statistical Radio Engineering]. Radio i Svyaz Publ., Moscow, 1982, 624 p. (In Russian).
- Kunze H.-J. Physical Measurement Methods: An Introduction to the Principles of Classical and Modern Methods, Vieweg+Teubner Verlag, Stuttgart, 1986, 226 p. (In German).
- Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. M. Abramowitz and I.A. Stegun, eds., Dover, New York, 1972, 1046 p.
- Rinkevich, A.B., Nemytova, O.V., Perov, D.V., Samoylovich, M.I., and Kuznetsov, E.A. Artificial crystals with 3d metal and palladium particles subjected to high-temperature heat treatment. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018, 451, 38–46. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.10.112.
Д. В. Перов
ОЦЕНКА КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПО ЧАСТОТНЫМ ЗАВИСИМОСТЯМ МОДУЛЕЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ
Электромагнитные волны микроволнового диапазона являются эффективным инструментом для решения задач неразрушающего контроля и диагностики применительно к диэлектрическим, полупроводниковым и композитным материалам, изделиям из ферритов. Предложен алгоритм определения комплексной диэлектрической проницаемости немагнитных материалов по частотным зависимостям модулей коэффициентов отражения и прохождения при взаимодействии электромагнитных волн микроволнового диапазона с образцом в виде пластины, расположенной в поперечном сечении экранированного волновода прямоугольного сечения. С использованием статистических методов анализа выполнена оценка погрешностей, возникающих при применении данного алгоритма, которые обусловлены неидеальным согласованием волноводного измерительного тракта с приемниками и генератором скалярного анализатора цепей. Показано, что предлагаемый в данной работе алгоритм, использующий результаты измерений коэффициентов отражения и прохождения в широком диапазоне частот, позволяет существенно уменьшить влияние частотно-зависимых погрешностей их измерения на точность оценки комплексной диэлектрической проницаемости. Дополнительное преимущество рассматриваемого алгоритма заключается в том, что для его реализации не требуются векторные анализаторы цепей, которые являются весьма дорогостоящим оборудованием.
Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и выс-шего образования РФ по темам «Спин» № 122021000036-3 и «Функция» № 122021000035-6. Ключевые слова: радиоволновые методы контроля, микроволновые измерения, сверхвысокие частоты, скалярный анализатор цепей, коэффициенты отражения и прохождения, комплексная диэлектрическая проницаемость Библиография:
- Радиотехника : энциклопедия / под ред. Ю. Р. Мазора, Е. А. Мачусского, В. И. Правды. – М. : Изд. дом “Додэка-XXI”, 2002. – 944 с.
- Неразрушающий контроль и диагностика : справочник / под ред. В. В. Клюева. – М. : Машиностроение, 2003. – 656 с.
- Microwave Electronics: Measurements and Material Characterization / L. F. Chen, C. K. Ong, C. P. Neo, V. V. Vardan, V. K. Vardan. – Chichester : John Wiley & Sons Ltd, 2004. – 537 p.
- Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. – М. : Наука, 1989. – 544 с.
- Семенов Н. А. Техническая электродинамика. – М. : Связь, 1973. – 480 с.
- Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. – М. : Наука, 1973. – 343 с.
- Измеритель КСВН панорамный Р2-65. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – Вильнюс, 1986. – 116 с
- Измеритель КСВН панорамный Р2-67. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – Вильнюс, 1986. – 124 с.
- Enhancement of microwave giant magnetoresistance effect in reflected wave / A. B. Rinkevich, D. V. Perov, E. A. Kuznetsov, O. V. Nemytova, M. A. Milyaev, V. V. Ustinov // Applied Physics Letters. – 2022. – Vol. 120, No. 23. – P. 233502. – DOI: 10.1063/5.0095405.
- Millimeter waveband dielectric properties of nanocomposite materials based on opal matrices with particles of spinels / A. B. Rinkevich, D. V. Perov, Ya. A. Pakhomov, M. I. Samoylovich, E. A. Kuznetsov // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2016. – Vol. 37, No. 11. – P. 1124–1138. – DOI: 10.1007/s10762-016-0308-3.
- Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. – М. : Советское радио, 1971. – 328 с.
- Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. – М. : Мир, 1978. – 848 с.
- Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. – М. : Радио и связь, 1982. – 624 с.
- Кунце Х.-И. Методы физических измерений. – М. : Мир, 1989. – 216 с.
- Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / под ред. М. Абрамовица, И. Стиган. – М. : Наука, 1979. – 832 с.
- Artificial crystals with 3d metal and palladium particles subjected to high-temperature heat treatment / A. B. Rinkevich, O. V. Nemytova, D. V. Perov, M. I. Samoylovich, E. A. Kuznetsov // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2018. – Vol. 451. – P. 38–46. – DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.10.112.
Библиографическая ссылка на статью
Perov D. V. Estimating Complex Dielectric Permittivity of Materials by the Frequency Dependences of Reflection and Transmission Coefficient Magnitudes in the Microwave Range // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. -
2023. - Iss. 4. - P. 60-72. - DOI: 10.17804/2410-9908.2023.4.060-072. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2023-4/2023-4_407.html (accessed: 21.12.2024).
|
